Содержание к диссертации
Введение
1. Постановка проблемы. цель и задачи исследования 21
1.1. Социально-экологические аспекты воздействия мобильной сельскохозяйственной техники на окружающую среду 22
1.2. Состав и воздействие отработавших газов дизелей на организм человека и окружающую среду 27
1.2.1. Состав отработавших газов на различных режимах работы ДВС. 27
1.2.2. Образование токсичных компонентов в цилиндре двигателя и их воздействие на человека и окружающую среду 31
1.3. Пути снижения токсичных выбросов двигателей внутреннего сгорания 46
1.3.1. Совершенствование конструкции ДВС и организация малотоксичных рабочих процессов 48
1.3.2. Применение альтернативных видов топлива и специальных присадок 57
1.4. Современные системы термической и каталитической очистки отработавших газов ДВС 64
1.4.1. Теоретические основы и классификация систем снижения токсичности 64
1.4.2. Термические нейтрализаторы 69
1.4.3. Каталитические нейтрализаторы 72
1.4.4. Системы рециркуляции отработавших газов 78
1.4.5. Комплексные системы снижения токсичности отработавших газов 81
1.5. Влияние эксплуатационных факторов на токсичность отработавших газов дизелей 84
1.6. Обоснование направлений теоретических исследований процессов, протекающих в нейтрализаторах отработавших газов при работе дизеля 87
1.7. Выводы. Цель и задачи исследования 97
2. Общая методика и структура исследований 100
2.1. Содержание и общая структура исследований 100
2.2. Методика проведения теоретических исследований 103
2.3. Методика проведения параметрической оптимизации нейтрализаторов отработавших газов 104
2.4. Методика проведения экспериментальных исследований 106
2.4.1. Задачи экспериментальных исследований 108
2.4.2. Оборудование, используемое для стендовых и эксплуатационных исследований 111
2.4.3. Особенности методик экспериментального исследования нейтрализаторов отработавших газов 119
2.4.4. Обработка результатов испытаний, оценка точности и ошибок экспериментальных исследований 124
2.5. Выводы 128
3. Теоретические исследования и моделирование процессов, протекающих в нейтрализаторах для термической и каталитической очистки отработавших газов дизелей 129
3.1. Обоснование направлений теоретических исследований 129
3.2. Структурная схема моделируемой системы 131
3.3. Тепловой баланс и теплоизоляция корпуса нейтрализатора 133
3.4. Кинетика химических реакций, протекающих в нейтрализаторе отработавших газов дизеля 138
3.5. Газодинамические процессы в нейтрализаторе отработавших газов дизеля 142
3.5.1. Разработка геометрических параметров входной части (диффузора) нейтрализатора отработавших газов 142
3.5.2. Разработка геометрических параметров выходной части (конфузора) нейтрализатора отработавших газов 147
3.5.3. Разработка конструкции реакторной части (зоны засыпки катализатора) 149
3.6. Термический нейтрализатор отработавших газов дизеля 153
3.6.1. Расчет толщины слоя тепловой изоляции корпуса термического нейтрализатора 156
3.6.2. Определение коэффициента газодинамического сопротивления термического нейтрализатора 159
3.6.3. Механизм сепарации сажи в циклоне термического нейтрализатора 162
3.7. Каталитический нейтрализатор (КН) отработавших газов дизеля. 165
3.8. Термокаталитический нейтрализатор отработавших газов дизеля (НОГД) 170
3.8.1. Выбор схемы НОГД и обоснование его конструкции 171
3.8.2. Разработка конструкции блока концентрических экранов НОГД.. 177
3.8.3. Теплопередача в зоне блока концентрических экранов 179
3.8.4. Общее газодинамическое сопротивление в НОГД 184
3.9. Электротермокаталитический нейтрализатор отработавших газов дизеля (ЭТКН) с закручивающим устройством (ЗУ) лопаточного типа 186
3.9.1. Выбор схемы ЭТКН и обоснование его конструкции 186
3.9.2. Функциональная схема ЭТКН для математического моделирования 190
3.9.3. Газодинамика движения потока в лопаточном закручивающем устройстве (ЗУ) с конусным отражателем и осевым подводом потока отработавших газов 193
3.9.4. Толщина пограничного слоя в коническом диффузоре с кольцевым сечением (по характеристикам пограничного слоя)... 197
3.9.5. Газодинамика движения потока ОГ в зоне термического нейтрализатора, рециркуляционная зона, прецессирующее вихревое ядро 203
3.9.6. Динамика движения закрученного потока в цилиндрическом слое катализатора с осевым подводом потока отработавших газов 206
3.9.7. Газодинамические потери в элементах ЭТКН 208
3.9.8. Динамика движения и сепарации частиц сажи в струе закручивающего устройства с конусным отражателем в ЭТКН... 217
3.9.9. Диффузия и кинетика химических реакций в термической и каталитической зонах ЭТКН 220
3.9.10. Тепловые потоки в ЭТКН 223
3.9.11. Оценивание параметров точности и адекватности математических моделей процессов в ЭТКН 227
3.9.12. Результаты математического моделирования процессов, протекающих в ЭТКН 228
3.10. Выводы 249
4. Теоретические основы расчетно-экспериментальной оптимизации параметров устройств для уменьшения токсичных выбросов дизелей 251
4.1. Постановка задачи параметрической оптимизации конструкции нейтрализатора 251
4.2. Формирование и расчет критериев качества устройств для уменьшения токсичности выбросов ДВС 252
4.3. Результаты оптимизации основных параметров термического (УСТ) и каталитического (КН) нейтрализаторов 256
4.4. Комплексный критерий эффективности нейтрализатора отработавших газов дизеля 262
4.5. Результаты параметрической оптимизации конструкции ЭТКН... 265
4.6. Методика оценки эффективности устройств для снижения токсичных выбросов дизелей на различных режимах работы машинно-тракторного агрегата 269
4.7. Выводы 275
5. Результаты экспериментальных исследований 276
5.1. Исследование мощностных и топливно-экономических показателей дизеля Д-240 с экспериментальными нейтрализаторами 276
5.2. Исследование показателей и характеристик изменения концентраций токсичных компонентов и сажи в отработавших газах дизеля Д-240 с экспериментальными нейтрализаторами 281
5.3. Исследование показателей и характеристик эффективности разработанных нейтрализаторов 288
5.4. Результаты измерений уровня шума 292
5.5. Результаты эксплуатационных испытаний 295
5.6. Выводы 296
6. Внедрение результатов исследований в производство и их технико-экономическая и экологическая оценка 298
6.1. Внедрение результатов исследований в производство 298
6.2. Технико-экономическая и экологическая оценка применения нейтрализатора на тракторном дизеле 299
Общие выводы 303
Литература 305
Приложения 332
- Состав и воздействие отработавших газов дизелей на организм человека и окружающую среду
- Методика проведения параметрической оптимизации нейтрализаторов отработавших газов
- Кинетика химических реакций, протекающих в нейтрализаторе отработавших газов дизеля
- Формирование и расчет критериев качества устройств для уменьшения токсичности выбросов ДВС
Введение к работе
Атмосферный воздух нашей планеты загрязняется различными токсичными веществами. Условно принято считать, что источниками половины их являются стационарные установки, а другую половину составляет мобильная техника. Так, автомобилями и тракторами в мире выбрасывается в атмосферу примерно 20...27млн.т оксида углерода, 2...2,5млн.т углеводородов, 6...9млн.токсидов азота, до 190 тыс.т соединений серы, до 100 тыс.т сажи, 13 тыс.т тяжелых металлов, 200...230 млн.т оксида углерода, а также выделяется до 3,1*1012 МДж теплоты (тепловое загрязнение). Суммарная масса выбросов всех дизелей, находящихся в странах СНГ, составляет 14... 18 млн.т в год.[1]
Анализ современных тенденций в создании новых источников энергии и обновления парка мобильных машин различного назначения показывает, что двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в обозримом будущем останутся основным источником энергии на этих машинах, причем среди силовых установок автомобилей, тракторов и комбайнов наиболее экономичной тепловой машиной остается дизель.
Известно, что дизель является наиболее эффективной машиной для преобразования тепловой энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в механическую работу. Вследствие более высокого коэффициента полезного действия, удельный расход топлива у дизеля на 25...30% ниже, чем у карбюраторного двигателя. Это привело к тому, что основной объем перевозок в Российской Федерации и за рубежом осуществляется дизельным автотранспортом, а мобильная сельскохозяйственная техника в основном работает на дизельной тяге. Однако, токсичные выбросы дизелей в районах возделывания сельскохозяйственных культур оказывает негативное влияние на экологическую обстановку. Это приводит к снижению урожайности сельскохозяйственных культур, продуктивности
животноводства, ухудшению качества кормовых растений, мясо-молочной продукции, снижению ценности садовых культур, а также интенсифицированию коррозии металлов и преждевременному разрушению строительных материалов. В полной мере это относится к составу воздуха как в кабинах тракторов, самоходных машин, комбайнов, так и в животноводческих комплексах, внутрицеховых помещениях, парниках, хранилищах, складах и других местах с ограниченным воздухообменом. Поэтому отработавшие газы дизелей (ОГ), содержащие высокотоксичные вещества, являются серьёзной экологической проблемой, актуальность которой возрастает в связи с постоянным ростом мирового парка мобильной техники. Общий ущерб от этого загрязнения в развитых странах составляет десятки миллиардов долларов ежегодно [1], а ежегодный экологический ущерб от функционирования транспортного комплекса РФ составляет 3,4 миллиарда долларов США или около 1,5% ежегодного валового национального продукта России [2].
В результате этого, в настоящее время во многих регионах РФ сложилась крайне сложная экологическая обстановка, обусловленная тем, что масштабы хозяйственной деятельности человека формируют существенное превышение допустимых экологических нагрузок на природные комплексы, а восстановление нарушенных геосистем происходит крайне медленно.
Следует отметить, что существующие в России нормы на выбросы токсичных компонентов значительно уступают требованиям ИСО и правилам ЕЭК ООН. Ситуация для производителей сельхозмашин, тракторов и автомобилей ещё более усугубляется тем, что с середины 2004 в РФ ожидается введение строгих норм на выброс основных токсичных компонентов (СО, СН, N0^, сажи) - «Евро-2», которые ужесточают действующие нормы почти на порядок. Отсюда снижение токсичных выбросов и дымности становится одной из первоочередных задач
отечественного дизелестроения и технической эксплуатации. Это послужило основанием для разработки высокоэффективных методов и систем снижения токсичности отработавших газов автотракторных дизелей, что отражено в «Концепции развития сельскохозяйственных тракторов и тракторного парка России на период до 2010г.»[3].
Существующие способы снижения токсичности ДВС в основном заключаются в конструктивных изменениях двигателей с целью воздействия на характер протекания рабочего процесса, применении альтернативных видов топлива и присадок к нему, рециркуляции отработавших газов, а также в оснащении двигателей нейтрализаторами и сажевыми фильтрами.
Меры, связанные с внесением существенных изменений в конструкцию двигателей, а также применение альтернативных видов топлива потребуют серьезной перестройки промышленности, топливно-энергетического комплекса, вложения крупных инвестиций, что в условиях реорганизации российской экономики вряд ли реально. Кроме того, эти меры, снижая токсичность, как правило, ухудшают мощностные и экономические показатели двигателей.
Поэтому из перечисленных выше способов снижения токсичности в настоящее время наиболее эффективным и приемлемым с точки зрения материальных затрат, является установка в выпускной системе двигателя нейтрализаторов ОГ и сажевых фильтров. Этот вывод согласуется с прогнозом известной германской фирмы «Бош» о том, что выполнение жестких стандартов ООН и перспективных норм токсичности «Евро-4»(2005г.) и «Евро-5»(2008г.) может быть обеспечено лишь с применением каталитической нейтрализации и установкой сажевых фильтров в выпускной системе двигателей [4].
Проблемная ситуация состоит в том, что наиболее экономичный и, вследствие этого, динамично растущий парк дизельной мобильной техники
создает высокую экологическую нагрузку на природную среду, значительно превосходящую допустимые нормы. Однако, применение большинства существующих способов снижения токсичных выбросов дизелей по указанным выше причинам весьма затруднительно. Достаточно эффективным и приемлемым с точки зрения материальных затрат способом достижения современных и еще более жестких перспективных норм допустимой токсичности является термохимическая очистка ОГ в выпускной системе дизеля. Отсюда, основным направлением данной работы является разработка и совершенствование методов и технических средств для эффективной термической и каталитической очистки отработавших газов дизелей с целью повышения их экологической безопасности. Достичь этого можно в результате оптимизации основных параметров работы нейтрализаторов, основанной на математическом моделировании протекающих в них процессов и разработке конструкций устройств, в которых реализованы новые принципы очистки ОГ. Сложность рассматриваемых вопросов предопределяет необходимость комплексного подхода к решению проблемы повышения экологической безопасности автотракторной техники при эксплуатации.
Из вышеизложенного видно, что разработка и внедрение технических средств (устройств) для эффективной термической и каталитической очистки ОГ, обладающих повышенным ресурсом работы и не снижающих мощностных и топливно-экономических показателей двигателя, является важной народнохозяйственной проблемой. Без решения этой проблемы невозможно обеспечить экономичную эксплуатацию мобильной техники и допустимые нормы экологической нагрузки на окружающую среду.
Данная работа выполнена в ФГОУ ВПО "Саратовский ГАУ имени Н.И.Вавилова" по плану НИР университета в рамках целевых программ по повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов в сельском хозяйстве и научно-технического прогресса в
агропромышленном комплексе Поволжского экономического региона. Решение отдельных частных задач и внедрение результатов в производство выполнено автором совместно с аспирантами Амельченко В.А., Истоминым СВ., Сухиташвили М.Д., Гришиным А.П. В рамках выполненных исследований под научным руководством автора защищены четыре кандидатских диссертации.
Актуальность работы подтверждается тем, что исследования проведены в соответствии с Федеральной программой №04.01.06. на 2001-2005г.г.,выполняемой совместно с Всероссийским научно-исследовательским и проектно технологическим институтом по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (ГНУ ВИИТиН, г.Тамбов - см. Приложение 1), научным направлением 1.2.9 "Комплексная региональная программа научно-технического прогресса в АПК Поволжского экономического района на 20 лет до 2010г."(№ гос. регистрации 840005200), региональной научно-технической программой "Повышение уровня механизации АПК Саратовской области","Концепцией развития АПК Саратовской области до 2005г.", а также в соответствии с комплексной темой №5 НИР Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И.Вавилова "Повышение надежности и эффективности использования мобильной техники в сельском хозяйстве".
Цель работы. Повышение экологической безопасности автотракторных дизелей путем разработки и совершенствования методов и технических средств очистки отработавших газов, обеспечивающих значительное снижение вредных выбросов мобильной техники.
Объект исследований. Автотракторный дизель Д-240 и его модификации, оборудованные термическими и термокаталитическими нейтрализаторами отработавших газов.
Методика исследований основана на использовании современных методов и измерительных приборов.
В основу методики изучения объектов исследования положен системный подход, комплексные и сравнительные экспериментальные исследования. Системность подхода заключается в том, что дизель с нейтрализатором ОГ рассматривается как сложная система, состоящая из подсистем, взаимодействующих друг с другом, с увязкой требований к отдельным элементам и системе в целом. Комплексность подхода заключается в том, что факторы, влияющие на эффективность очистки ОГ, рассматривались не изолированно, а при учете их взаимного влияния на процессы, протекающие в нейтрализаторе при работе дизеля. При этом анализировались механические, физические, химические, тепловые и другие процессы, оказывающие влияние на эффективность очистки ОГ. Теоретические исследования велись на основании законов газовой динамики и тепломассообмена, современной теории многомерного статистического анализа, математического моделирования, данных физического эксперимента. Теоретическое решение поставленных задач полностью определило круг экспериментальных работ, необходимых для выполнения поставленной цели работы. Оптимизация параметров нейтрализаторов проводилась на основании математических моделей стоимостного критерия и комплексного критерия эффективности нейтрализатора. Замер концентраций токсичных компонентов, при экспериментальных исследованиях, проводился высокоточным газоанализатором «TESTO-350» (Германия), дымность регистрировалась дымомером «Смог-1». При исследовании эффективности глушения шума выпуска дизеля нейтрализаторами-глушителями использовался измеритель шума и вибрации ВШВ-003-М2. Математическое моделирование процессов, протекающих в нейтрализаторах, оптимизация конструктивных параметров и обработка результатов эксперимента проводились с помощью современного програмного обеспечения и процессора «Intel Pentium III».
Научная проблема заключается в систематизации и обобщении основных закономерностей процессов, протекающих в нейтрализаторах для термической и каталитической очистки ОГ дизелей и на этой основе разработке и оптимизации эффективных технических средств, повышающих экологическую безопасность дизелей, имеющих длительный ресурс работы и не снижающих при этом мощностных и тогошвно-экономических показателей двигателей.
Научная новизна диссертации заключается в комплексном подходе к решению проблемы экологической безопасности дизелей, анализу и обобщению теоретических положений и закономерностей, в результате которых:
теоретически обоснованы способы совершенствования процесса очистки ОГ дизелей;
разработаны математические модели процессов, протекающих в устройствах для термической и каталитической очистки (нейтрализации) ОГ при работе дизеля и дано теоретическое обоснование разработанных конструкций нейтрализаторов;
определено влияние процесса вращения потока ОГ в нейтрализаторе с закручивающим устройством (ЗУ) на степень очистки ОГ от токсичных компонентов и динамику движения сажевых частиц, определяющую их сепарацию;
получены экспериментально-теоретические зависимости для расчета газодинамического сопротивления, создаваемого нейтрализаторами ОГ дизелей;
разработаны теоретические основы оптимизации основных параметров устройств для уменьшения токсичных выбросов дизелей;
предложен комплексный критерий эффективности рабочего процесса нейтрализатора, учитывающий степень очистки ОГ дизеля от токсичных
компонентов (сажи, NOr и СО), газодинамические и тепловые потери в элементах нейтрализатора; - разработана методика оценки эффективности способов и устройств для снижения токсичных выбросов дизелей на различных эксплуатационных режимах работы машинно-тракторного агрегата. На основе выполненных исследований в работе определены и выносятся на защиту следующие научные положения :
Теоретическое обоснование способов совершенствования процесса очистки ОГ дизелей и конструкций нейтрализаторов;
Математические модели процессов, протекающих в устройствах для термической и каталитической очистки ОГ при работе дизеля;
Экспериментально-теоретические зависимости для расчета газодинамического сопротивления, создаваемого нейтрализаторами ОГ дизелей;
Теоретические основы оптимизации основных параметров устройств для уменьшения токсичных выбросов и обоснование комплексного критерия эффективности каталитического нейтрализатора;
Методика оценки эффективности способов и устройств для снижения токсичных выбросов дизелей на различных эксплуатационных режимах работы машинно-тракторного агрегата;
Результаты экспериментальных исследований разработанных нейтрализаторов отработавших газов дизелей.
Практическая ценность работы заключается в совершенствовании технологии очистки ОГ и в конструкции термических и термокаталитических нейтрализаторов-глушителей, которые позволяют снизить выбросы СО и СН на 60...70%. NO^ - на 45...50%, сажевых частиц
- на 20...30% и отказаться от использования штатного глушителя шума выпуска дизеля. Нейтрализаторы обладают малым (2...3,5%) газодинамическим сопротивлением и значительным (до3000м-ч) ресурсом службы нейтрализатора. Применение их на мобильной технике позволит значительно уменьшить экологическую нагрузку на окружающую среду и выполнить действующие и перспективные нормы допустимых выбросов токсичных веществ.
Конструкции разработанных нейтрализаторов защищены патентами РФ №№ 2105165, 2119065, 2174184, 2184249 (см. Приложение 2).
Разработанные математические модели процессов, протекающих в нейтрализаторах при работе дизелей, и предложенные теоретические основы оптимизации могут быть использованы научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при создании современных антитоксичных устройств для мобильной техники с целью улучшения ее экологических параметров. Предложенный в работе комплексный критерий эффективности рабочего процесса нейтрализатора и методика оценки работы нейтрализатора на различных эксплуатационных режимах машинно-тракторного агрегата позволяют оценить эффективность нейтрализаторов различных типов.
Предложены рекомендации по снижению вредных выбросов при эксплуатации мобильной техники, которые будут полезны для инженерно-технических работников.
Реализация результатов исследований. Экспериментальные нейтрализаторы, установленные на тракторах МТЗ-80, МТЗ-82 и ДТ-75, прошли производственную проверку и приняты к внедрению в ряде хозяйств Саратовской области: ООО "Интеграл", ООО "Агро-МТС", ТОО "Ударник" Лысогорского района, ООО "Степная Нива" Перелюбского района, ТОО им.Кирова калининского района, АО "Маяк" Федоровского района, ТОО им.Ленина Татищевского района (см. Приложение 3). За
разработку и внедрение термокаталитических нейтрализаторов ОГ дизелей настоящая работа была отмечена дипломом Российской агропромышленной выставки "Золотая осень" (г.Москва, октябрь 2003г., ВВЦ). Термокаталитические нейтрализаторы ТКН-2, а также разработанные рекомендации по малотоксичной эксплуатации дизельного автотранспорта одобрены и приняты Департаментом автомобильного транспорта Минтранса России к внедрению на дизельном грузовом автотранспорте (см. Приложение 1).
Результаты исследований могут быть использованы на сельскохозяйственных предприятиях аграрно-промышленного комплекса (АПК) , научно-исследовательскими и конструкторскими организациями при разработке нейтрализаторов ОГ для любых типов дизелей, а также в учебном процессе вузов.
Результаты исследований включены в учебное пособие (с грифом УМО) "Методы и системы снижения токсичности отработавших газов автотракторных двигателей" для студентов высших сельскохозяйственных учебных заведений по специальности 311300 "Механизация сельского хозяйства", а также в монографию "Моделирование процессов и разработка технических средств и способов, повышающих экологическую безопасность автотракторных двигателей"(Саратов, 2003г.). Указанные издания используются в учебном процессе СГАУ им. Н.И.Вавилова при чтении курсов дисциплины "Тракторы и автомобили", курсовом и дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены, обсуждены и одобрены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Саратовского ГАУ им. Н.И.Вавилова (1992-2003г.г.), на межгосударственных научно-технических семинарах "Проблемы экономичности и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания в АПК СНГ (1993-2003 г.г.), проводимых ИМЭСХ
Саратовского ГАУ им. Н.И.Вавилова, на Международной научно-
технической конференции "Поддержание и восстановление
работоспособности транспортных средств" (г.Саратов, СГТУ, 1995 г.), на
заседании научно-технического совета Государственного комитета по
охране окружающей среды (г.Саратов, 1997г.), на 3-й Международной
конференции "Экология. Экологическое образование. Нелинейное
мышление" (г.Воронеж, ВГУ, 1997г.), на 2-й Всероссийской конференции
по проблемам газовой промышленности России (г.Москва, МГАНГ, 1997г.),
на Российской научно-практической конференции, посвященной 200-летию
Саратовской губернии "Экология, здоровье и
природопользование"(г.Саратов, Саратовская государственная
сельскохозяйственная академия, 1997г.), на Всероссийской конференции "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии"(г.Саратов, СГУ, 1997г.), на научно-технических конференциях СГТУ (г.Саратов, 1998-2002г.г.), на научной конференции, посвященной 275-летию Российской академии наук (г.Саратов, 1999г.), на Международной научно-технической конференции "Сельскому хозяйству -техническое обеспечение XXI века" (г.Москва, ВИМ, 2000г.), на Международной научно-практической конференции, посвященной 70-летию МГАУ им.В.П.Горячкина "Развитие села и социальная политика в условиях рыночной экономики" (г.Москва, 2000г.),на Международном конгрессе "Автомобили и двигатели - новейшие достижения" (Германия,г.Аахен, 2000г.), на научно-технических конференциях "Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов и автомобилей" (г.Санкт-Петербург, СПбГАУ, 2002-2003г.г.), на научно-техническом совете Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технологического института по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве (г.Тамбов, ВИИТиН, 2002-2003 г.г.), на научной сессии Россельхозакадемии "Научно-технический прогресс в
АПК России - стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции на период до 2010 года" (г.Москва, ВВЦ, 2003г.), на техническом совете Департамента автомобильного транспорта Министерства транспорта Российской Федерации (г.Москва, Минтранс России, 2004г.).
Результаты настоящей работы в виде натурных образцов разработанных нейтрализаторов-глушителей были представлены на выставке научных достижений Саратовской области, посвященной 275-летию Российской академии наук (г.Саратов, 1999г.) и на выставке научных достижений АПК, посвященной научной сессии Россельхозакадемии "Научно-технический прогресс в АПК России - стратегия машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции на период до 2010 года" (г.Москва, ВВЦ, 2003 г.), где работа была отмечена дипломом министра сельского хозяйства Российской Федерации за разработку и внедрение термокаталитического нейтрализатора ОГ дизеля (см. Приложение 1).
Публикации. Основные положения диссертации изложены в 59 работах, в том числе в монографии, учебном пособии с грифом УМО, 4 патентах. Из указанных работ 7 опубликованы в изданиях, поименованных в "Списке..." ВАК Минобразования и науки РФ. Общий объем опубликованных работ составляет 30,8 печ.л., из них лично автору с учетом долевого участия в коллективных публикациях принадлежит 18,6 печ.л.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 381 странице машинописного текста, состоит из введения, шести глав, общих выводов по работе, списка литературы и приложения, содержит 10 таблиц и ПО рисунков. Список литературы включает в себя 263 наименования, из них 29 на иностранных языках.
Состав и воздействие отработавших газов дизелей на организм человека и окружающую среду
Отработавшие газы ДВС - сложная по составу многокомпонентная смесь газов, паров, капель жидкостей и дисперсных твердых частиц (до 1000 компонентов) [5].
Компоненты ОГ, обладая различными химическими свойствами, по-разному воздействуют на организм человека. Их разделяют на несколько групп: нетоксичные, малотоксичные и токсичные.
В группу нетоксичных веществ входят азот, водяной пар и кислород. К малотоксичным относится ССЬ. Токсичными веществами являются оксид углерода СО, оксиды азота NOx, углеводороды СНХ, альдегиды RCHO и сажа, а также соединения свинца, выделяемые при использовании этилированных бензинов. Особое место в ряду токсичных веществ занимает бенз-а-пирен, являющийся представи-телем канцерогенных полициклических ароматических углеводородов (ПАУ).
Из табл. 1.3 [5] видно, что в ОГ бензинового двигателя содержится больше продуктов неполного сгорания (СО, СНХ, RCHO), чем в ОГ дизеля, содержание NOx различается незначительно, а дымность (сажесодержание) ОГ дизеля значительно выше.
Таким образом, основными токсичными компонентами ОГ бензиновых двигателей являются СО, CnHm, NOx и соединения свинца, ОГ дизелей -NOx, сажа.
Автомобильные двигатели обычно работают с переменными нагрузками на неустановившихся режимах, с последовательными цикличными переходами с режима холостого хода на режимы разгона, установившегося движения и далее принудительного холостого хода (рис. 1.2).
При разгоне карбюраторного двигателя, вследствие большой инерции топлива относительно воздуха, возможно переобеднение смеси. С целью исключения подобного состояния на карбюраторных двигателях применяют ускорительные насосы. Производительность их закладывается с определенным запасом, что в значительной степени влияет на количество выбросов токсичных соединений (СО, СНХ, NOx).
У дизеля наибольший рост концентраций NOx наблюдается в случае разгона от режима холостого хода. Но концентрация оксидов азота при разгоне дизеля всегда ниже, чем при работе на установившемся режиме.
Для оценки токсичности двигателей при работе на тех или иных режимах используют характеристики токсичности, которые показывают, как изменяется выброс токсичных компонентов при изменении режима работы двигателя (нагрузка, частота вращения коленчатого вала). На рис. 1.3 показаны комбинированные характеристики токсичности быстроходного автотракторного дизеля, выраженной числом частиц токсичного продукта на миллион. Все характеристики показывают сложный характер зависимости содержания токсичных составляющих в ОГ от режима работы двигателя.
В цилиндре двигателя в процессе сгорания образуются токсичные компоненты - продукты неполного сгорания и оксиды азота. Причем их образование идет по совершенно различным схемам. Так, присутствие в ОГ продуктов неполного сгорания связано с химическими реакциями окисления топлива, протекающими как в предпламенный период, так и в процессе сгорания-расширения. Оксиды азота образуются при соединении азота с избыточным кислородом в продуктах сгорания. Данная реакция носит термический характер и не связана непосредственно с реакциями окисления топлива.
В зависимости от типа смесеобразования двигателей количественный состав некоторых токсичных соединений существенно различается. Так, у двигателей с внешним смесеобразованием, в частности бензиновых, наибольшую долю вредных выбросов составляет окись углерода, в то время как у двигателей с внутренним смесеобразованием (дизелей) - сажа. Это объясняется существенным различием организации процессов смесеобразования и сгорания. Для организации малотоксичного рабочего процесса в дизеле необходимо обеспечить полное сгорание топлива по всему объему камеры сгорания, а в двигателе с внешним смесеобразованием - оптимальное соотношение топлива и воздуха в смеси.
Частицы ОГ дизеля подразделяются на три основные фракции: твердую - сухие углеродные частицы, известные как сажа; растворимую органическую (РОФ) - тяжелые углеводороды, адсорбированные и конденсированные на углеродных частицах; сульфатную (SO4) - растворенную серную кислоту. «Влажные» частицы могут содержать до 60 % углеводородной фракции РОФ.
Количество сульфатов напрямую зависит от содержания серы в дизельном топливе [55]. Состав частиц ОГ дизеля (рис 1.4) будет зависеть от условий нагрузки, скоростного режима и других характеристик двигателя.
Сажа представляет собой твердый углеродный продукт в дисперсном состоянии. Она состоит из частиц, представляющих собой образования неправильной формы с линейными размерами 0,3...10,0 мкм [7]. Первичные структуры сажи, образующиеся в камерах сгорания дизелей, являются частицами сферической формы диаметром 0,015...0,17 мкм с удельной геометрической поверхностью до 75 м /г, которые из-за коагуляции в процессе сгорания образуют вторичные и третичные структуры, выбрасываемые с ОГ из системы выпуска дизеля в атмосферу [5].
Дисперсный состав сажи представлен на рис. 1.5, из которого следует, что наибольшее количество частиц сажи имеют размеры 0,5... 1,5мкм [8].
Образование сажи связано с пиролизом углеводородов топлива, т.е. с объемным процессом их термического разложения при недостатке кислорода. Данный процесс имеет место в высокотемпературной центральной зоне топливной струи. Реакция пиролиза молекул углеводородного топлива может быть выражена следующим уравнением [8]:
Уравнение не описывает действительного механизма образования твердых частиц сажи. Механизм этот сложен, недостаточно изучен и связан с большим числом химических реакций. В общем случае он включает гидрогенизацию, дегидрогенизацию, крекинг (т.е. расщепление молекул), полимеризацию, конденсацию (т.е. присоединение молекул, приводящее к образованию очень больших молекул др угого типа) [29].
Выделение сажи в процессе сгорания можно представить в виде трех фаз [56,57]: образование зародыша; рост зародышей в частицы сажи; коагуляция первичных сажевых ча стиц.
Образовавшиеся в начале процесса сгорания частицы углерода выгорают в результате обратимых реакций обмена с молекулами, содержащими кислород [8]:
В периферийных зонах камеры сгорания и пристеночных слоях, где температура топливовоздушной смеси умеренная, частицы сажи подвергаются «закалке» и в дальнейшем сгорании практически не участвуют. Это является основной причиной выброса сажи с ОГ дизелей [58].
Количество сажи, содержащейся в ОГ дизелей, зависит от следующих факторов: геометрических параметров распылителя форсунки, закона и организации процессов теплопередачи температуры впускного воздуха и топлива, типа топлива, угла опережения начала впрыскивания топлива, степени турбулизации заряда, состава смеси, подтекания и подвпрысков топлива, а также попадания смазочного масла в камеру сгорания.
Методика проведения параметрической оптимизации нейтрализаторов отработавших газов
Формирование оптимизационных математических моделей производится в следующей последовательности: - выбор принципов оптимальности; - выделение значимых целей, их формализация и ранжирование; - формирование критериев качества и оптимизации, целевой функции; - выбор основных процессов в изучаемой системе; - разработка ММ процессов, подлежащих оптимизации; - выделение варьируемых переменных и параметров, а также существующих ограничений (в форме равенств или неравенств); - выбор или разработка алгоритма поиска оптимального решения методами линейного или нелинейного программирования (или с помощью разрабатываемого численного метода вычислительной математики).
Оптимизация исследуемой конструкции нейтрализатора производится с целью выявления наилучших показателей очистки ОГ и эффективных показателей работы дизеля. На основании проведенного анализа были выделены наиболее важные критерии качества работы нейтрализатора. В последовательности, изложенной выше, для определения оптимальных параметров нейтрализаторов разработана математическая модель оптимизации по стоимостному критерию (сумма затрат на изготовление, эксплуатацию, а также экологических выплат), где экстремуму целевой функции S соответствует минимизация общих затрат (см. раздел 4). Однако, данная методика не учитывает потерь тепла через корпус нейтрализатора, в то время как температура в реакционной камере в значительной степени влияет на характер протекания химических реакций и, в конечном счете, на степень очистки ОГ от токсичных компонентов. Поэтому была разработана математическая модель комплексного критерия эффективности нейтрализатора, учитывающая обобщенный показатель степени очистки ОГ, а также газодинамические и тепловые потери в нейтрализаторе (см. раздел 4).
Данная методика сложнее, однако позволяет более точно (на 10... 15 %) определить основные конструктивные параметры нейтрализатора.
В современных условиях для создания эффективной и долговечной системы нейтрализации токсичных компонентов в отработавших газах дизеля кроме расчетно-теоретического исследования процессов нейтрализации требуется определение достоверных показателей на основе повышения точности проведения комплекса экспериментальных исследований этих процессов в лабораторных и полевых, а также в условиях эксплуатации.
Такой подход позволяет правильно оценить эффективность влияния технических мероприятий и любых целенаправленных изменений в системе, на эффективность изучаемой системы.
Работа дизеля с нейтрализатором ОГ характеризуется сложными процессами его взаимодействия с внешней средой и процессами влияния нейтрализатора на основные показатели дизеля, взаимным влиянием процессов в широком диапазоне режимов, определяемых конкретными условиями эксплуатации.
Испытания необходимы: - для опытного определения конструктивных и эксплуатационных свойств нейтрализатора ОГ в составе дизеля и машинотракторного агрегата (МТА); - для научного исследования и установления новых закономерностей (зависимостей, знаний).
Функциональные качества МТА с дизелем, оснащенным нейтрализатором, могут рассматриваться как сумма отдельных взаимосвязанных эксплуатационных свойств: тягово-скоростных; топливно-экономических, прочностных, токсических и др. Поэтому, для повышения эффективности и успешного решения поставленных в работе задач испытания нейтрализаторов ОГ установленных на дизеле должны быть комплексными и образовывать целенаправленную систему, опирающуюся на научно-обоснованные методы и современное оборудование.
Экспериментальные (поисковые) испытания проводились с целью углубленного изучения конструкции и характеристик эксплуатационных свойств дизеля с нейтрализатором ОГ, а также процессов, происходящих в нейтрализаторе, процессов взаимодействия с внешней средой, для нахождения оптимальных решений. К ним следует отнести исследования нагрузочных, скоростных и тепловых режимов дизеля с нейтрализатором, факторов, способствующих снижению загрязнения дизелем внешней среды и др. Сравнительные испытания проводились, например, с целью сопоставления показателей и характеристик эксплуатационных свойств двух конструкций нейтрализаторов с различными механизмами закрутки потока ОГ. Для получения наиболее точных результатов стремились выдерживать условия и методику проведения испытаний, описанные в [52] (используемые для исследования характеристик нейтрализатора с ЗУ циклонного типа), в одинаковых метеорологических условиях, при одних и тех же нагрузочных и скоростных режимах работы дизеля.
Кинетика химических реакций, протекающих в нейтрализаторе отработавших газов дизеля
Количество токсичных выбросов дизеля определяется протеканием различных реакций образования оксидов азота и продуктов неполного сгорания (СО, СН, С). Данные реакции протекают как при движении ОГ по выпускному коллектору двигателя, так и в процессе нейтрализации в реакторе нейтрализатора. Условия протекания таких реакций можно изучить на основе тщательного термодинамического анализа. В нейтрализаторе возможно протекание химических реакций, приведенных в табл. 3.1 [229]. Все рассмотренные в таблице 3.1 реакции являются экзотермическими вследствие первого закона термодинамики: В результате экзотермических реакций, протекающей на поверхности катализатора, происходит превращение токсичных компонентов в нетоксичные и малотоксичные компоненты. Процессы такого каталитического превращения характеризуются заметным тепловым эффектом. При этом возможны два стационарных термических режима протекания реакции - один, отвечающий малым разогревам поверхности и кинетической области, другой - большим разогревам и диффузионной областью [150]. Тепловой эффект реакции рассчитывается по уравнению: где кр - константа химического равновесия; Т- температура реакции, К; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль-К. Константа равновесия является функцией температуры. С повышением температуры растет и скорость протекающих реакций в соответствии с законом Аррениуса [78]: где ку - константа скорости реакции в единице объема; ho - исходная константа скорости реакции в единице объема; Е - энергия активации, Дж. Термодинамический расчет [78,225] показывает, что при температурах до 1000С реакции протекают в направлении формирования нетоксичных соединений, что сопровождается большим изменением свободной энергии. Но при относительно невысоких температурах (300...400С) скорость этих процессов невелика. Объемная скорость каталитического превращения определяет удельную газовую нагрузку на катализатор и представляет собой отношение приведенного к нормальным условиям объема газовой смеси, прошедшей через катализатор за 1 ч., к насыпному объему катализатора.
Время пребывания (контакта) т„ объема газов, равного объему V катализатора [78]: Чем меньше время пребывания, и, соответственно, выше скорость прохождения ОГ сквозь слой засыпки, тем большее количество газа по объему может быть обработано на катализаторе в единицу времени. При относительно невысоких температурах скорость процесса на катализаторе зависит от концентрации реагирующих компонентов. Кинетика окисления оксида углерода описывается следующим образом: где к] - константа реакций окисления оксида углерода. Константа kj определяется в первую очередь природой катализатора, влагосодержанием и в меньшей степени концентрацией углеводородов в реакционной смеси, которые влияют на адсорбцию реагентов на поверхности катализатора. Катализаторы на основе переходных металлов менее чувствительны к влаге и углеводородам в потоке ОГ, чем платино-палладиевые катализаторы. Скорость окисления углеводородов [78]: где &2 - константа реакций окисления углеводородов. При низких температурах процесса превращения, общая скорость химического превращения приблизительно совпадает с истинной скоростью реакции на поверхности катализатора [230]. С повышением температуры скорость реакции растет по экспоненте, и процессы переноса начинают все больше сказываться на общей эффективной скорости превращения, пока процесс не перейдет во внешнедиффузионную область, когда kv - сю и единичная ступень превращения X становится равной единичной ступени массопередачи А,мп, т.е. скорость химического превращения полностью определяется процессами массопередачи [150]. Для достижения максимальной скорости процесса в промежуточной между этими пределами области необходимо увеличить температуру процесса за счет дополнительного подвода теплоты (например, на режимах малой нагрузки двигателя или холостого хода).
Формирование и расчет критериев качества устройств для уменьшения токсичности выбросов ДВС
Для характеристики точности ММ, при сравнении экспериментальных и расчетных по ММ данным, использованы оценки (показатели): среднее квадратическое отклонение, максимальное отклонение. Они позволяют судить о величине ошибок аппроксимационных процедур при использовании регрессионных ММ, и компенсировать ошибки при необходимости. Эти методы использовались в промежуточных расчетах и для построения ММ и их графиков, технико-экономических и токсических характеристик дизеля Д-240 и исследуемой конструкции ЭТКН. Результаты применения регрессионных методов представлены в приложении 7 к работе [221]. Исследование газодинамических потерь (сопротивления трения) в ЭТКН. По разработанным ММ газодинамических потерь в элементах ЭТКН (раздел 3.9.7) произведены расчеты на ПЭВМ Pentium III. Результаты расчетов представлены в таблице (приложение 4 к работе [221]) и графиками нарис. 3.26,3.27,3.28. Графики на рис. 3.29 отражают зависимости показателей потока ОГ, в его сечениях на расстоянии (х) от входа в ЭТКН. Форма графика, характеризующего изменение полного газодинамического сопротивления по оси потока ОГ, также соответствует характеру изменения величины падения давления в расчетных зонах ЭТКН по оси потока. При анализе результатов исследования газодинамических потерь в ЭТКН можно сделать следующие выводы: 1. Максимальная относительная величина толщины пограничного слоя на выходе ЭТКН составляет 0,061 (см. рис. 3.28). 2.
Полное газодинамическое сопротивление зоны носителя катализатора равно 2,57, тогда как приведенное к скорости потока на входе в ЭТКН - 0,8, что составляет 36,5% от полного газодинамического сопротивления всего ЭТКН. 3. Величина сопротивления кольцевого диффузора находится на втором месте и равна 18%. 4. Величина чисел Рейнольдса наибольшая в двух зонах (1 и 2) равна 1,92-104 (см. рис. 3.27). 5. Расчетная величина полного сопротивления ЭТКН отличается от экспериментального на 2%, что указывает на совершенство расчетной методики, основанной на теории пограничного слоя.
Меньшее расчетное значение по сравнению с экспериментальным объясняется не учтенными в расчетной методике потерями: от взаимодействия трехмерных пограничных слоев, на трение в пограничном слое на торце цилиндрической зоны неподвижного слоя катализатора и др. 6. Увеличение угла закрутки от 0 до 32 приводит к увеличению приведенного полного коэффициента трения ЭТКН с 0,182 до 0,207 (на 13,7%) (см. рис. 3.26) Исследование динамики движения частиц сажи в лопаточном закручивающем устройстве с конусным отражателем и осевым подводом ОГ и в зоне пограничного слоя электрического нагревателя. Исследование динамики движения сажевых частиц в потоке ЭТКН методом математического моделирования по методике, разработанной в разделе 3.8, целесообразно проводить для зон в ЭТКН с резким изменением направлений векторов скорости потока ОГ и сажевых частиц. Поэтому выбраны следующие три зоны в ЭТКН: канал диффузора кольцевого сечения (с конусным отражателем), лопаточная секция ЗУ и пространство за ЗУ (между ЗУ и зоной носителя катализатора).
По требованиям прикладной программы, перед интегрированием ММ движения частиц была преобразована в новую систему дифференциальных уравнений с новыми переменными [178] (см. приложение 8). Интегрирование ММ движения частиц осуществлялось на ПЭВМ Pentium III с применением стандартной прикладной программы, реализующей численный метод Рунге-Кутта четвертого порядка, предназначенный для решения нелинейной системы дифференциальных уравнений с обыкновенными производными [199]. ММ корректировалась для каждой из выбранных зон: в первой и второй зонах центробежная сила отсутствует, поэтому wy = wz = 0. Начальные значения переменных в ММ для интегрирования различны для каждой из зон. Поэтому они устанавливались из анализа значений проекций скоростей потока (w) и частицы (V4) на соответствующие оси координатной системы. В первой зоне (в диффузоре) ось х совмещалась с образующей диффузора и была направлена в сторону движения потока ОГ, ось у - перпендикулярна образующей диффузора. Во второй зоне (между лопатками секции ЗУ) ось х направлена по длине лопатки, а у - по нормали к поверхности лопатки ЗУ. В третьей зоне ось х направлена по оси потока, у -по радиусу сечения вертикально вверх, z - в горизонтальной плоскости. Величины начальных значений переменных ММ для интегрирования приведены в приложении 8. При исследовании ММ выявлено, что скорость сажевой частицы в трубе на входе диффузора соответствует скорости движения потока ОГ.
